Номер 6, страница 131 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Подумайте, ответьте, выполните.... Параграф 27. Обзор металлических элементов А-групп. Глава VI. Металлы - номер 6, страница 131.

Условие.

6. Щелочные и щелочноземельные металлы получают электролизом расплавов их солей. Почему эти металлы нельзя получить электролизом растворов солей? Что является в таких реакциях восстановителем?

Решение.

Решение 2.

Почему эти металлы нельзя получить электролизом растворов солей?

Решение

Щелочные (Li, Na, K и др.) и щелочноземельные (Mg, Ca, Ba и др.) металлы являются очень активными химическими элементами. В электрохимическом ряду напряжений металлов они занимают крайние левые позиции, что соответствует очень низким (сильно отрицательным) значениям их стандартных электродных потенциалов. Например, для натрия $E^0(Na^+/Na) = -2.71 \text{ В}$, а для кальция $E^0(Ca^{2+}/Ca) = -2.87 \text{ В}$.

При проведении электролиза водного раствора соли (например, NaCl) в растворе присутствуют не только ионы соли ($Na^+$ и $Cl^-$), но и молекулы воды ($H_2O$), которые также могут участвовать в электродных процессах.

На катоде (отрицательном электроде) происходит процесс восстановления. В данном случае за возможность восстановиться конкурируют катионы металла и молекулы воды:

1. Восстановление катиона натрия: $Na^+ + e^- \rightarrow Na$

2. Восстановление воды: $2H_2O + 2e^- \rightarrow H_2 \uparrow + 2OH^-$

Стандартный потенциал восстановления воды ($E^0 \approx -0.83 \text{ В}$ при pH=7) значительно выше (менее отрицателен), чем потенциал восстановления ионов щелочных и щелочноземельных металлов. Это означает, что для восстановления воды требуется значительно меньшее напряжение. Поэтому на катоде будет преимущественно происходить процесс восстановления воды с выделением газообразного водорода.

Даже если бы незначительное количество металлического натрия и образовалось на катоде, он бы немедленно прореагировал с водой, так как является очень сильным восстановителем:

$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2 \uparrow$

Таким образом, при электролизе водных растворов солей активных металлов на катоде выделяется водород, а не металл. Для получения этих металлов необходимо исключить воду из системы, что достигается проведением электролиза расплавов их солей (или гидроксидов), где единственными катионами, способными к восстановлению, являются ионы самого металла.

Ответ: Щелочные и щелочноземельные металлы нельзя получить электролизом водных растворов их солей, так как они являются очень активными металлами с крайне низкими электродными потенциалами. В водном растворе на катоде вместо ионов этих металлов будут восстанавливаться молекулы воды с выделением водорода, так как этот процесс энергетически более выгоден.

Что является в таких реакциях восстановителем?

Решение

Восстановителем в окислительно-восстановительной реакции называется частица (атом, ион или молекула), которая отдает электроны, при этом сама окисляясь. Процесс электролиза является принудительным окислительно-восстановительным процессом, протекающим под действием электрического тока.

Рассмотрим процесс электролиза на примере расплава хлорида натрия ($NaCl$):

Суммарное уравнение: $2NaCl \xrightarrow{электролиз} 2Na + Cl_2$

Процессы на электродах:

Катод (-): $Na^+ + e^- \rightarrow Na$ (восстановление)

Анод (+): $2Cl^- - 2e^- \rightarrow Cl_2$ (окисление)

В этом процессе ионы хлора ($Cl^-$) отдают электроны и окисляются до молекулярного хлора ($Cl_2$). Согласно определению, частица, которая окисляется, является восстановителем. Следовательно, восстановителем в реакции электролиза расплава соли является анион (в данном случае хлорид-ион).

Важно также понимать, что сам по себе этот процесс не является самопроизвольным. Роль "движущей силы", заставляющей ионы восстанавливаться и окисляться, выполняет внешний источник электрического тока. Электроны, поступающие от источника тока на катод, непосредственно восстанавливают катионы металла. В этом смысле можно сказать, что восстановителем для катионов металла является электрический ток (или катод как источник электронов). Однако формально, с точки зрения химии, восстановителем в общей реакции является то вещество, которое в ходе реакции окисляется.

Ответ: В реакциях электролиза расплавов солей восстановителем является анион соли (например, $Cl^-$, $Br^-$), так как он отдает электроны на аноде и окисляется.